硫磺岛位于小笠原群岛的南部，是该群岛的核心岛屿，北距日寇东京公里，南距塞班岛公里。硫磺岛南北最长为7公里、东西最宽约为4公里，面积约20平方公里，是一个没有完全冷却的火山岛。
位于该岛南端的折钵山的火山喷口终年喷出的雾气和硫黄弥漫全岛，岛上大部地区都覆盖着火山灰烬。这些灰烬看起来像沙，但又比沙轻得多，使人很难行走，轮式车辆和履带式车辆也必须铺上垫板才能通过。岛的中部是一片台地，台地以北地形又逐渐高起。折钵山脚下向北和向东有两处海滩，两海滩各宽约3.2公里。其余沿岸多为悬崖峭壁。
从美国海军的角度看，硫磺岛完全可以根据“蛙跳战术”原则，绕过不去攻取，但对于陆军执行对东京的战略轰炸部队则意义重大。自从美军年7月攻占马里亚纳群岛后，就开始在马里亚纳群岛建立航空基地，出动B-29重型轰炸机空袭日寇本土。但马里亚纳群岛距日寇本土将近公里，B-29进行如此长距离的空袭，由于载重量有限，除去必需的燃料重量外，只能携带3吨炸弹，仅为B-29最大载弹量的30%。而且因为距离太远，战斗机无法进行全程护航，轰炸效果自然很不理想。
硫磺岛几乎正处在两地的中间。从塞班岛飞往东京执行轰炸任务的B-29轰炸机必须途径硫磺岛海域，岛上的日寇不仅可以向东京提供早期预警，而且可以起飞战斗机对美军轰炸机进行拦截，甚至还可以出动飞机攻击美军在马里亚纳群岛的机场。
可以说日寇占领下的硫磺岛对美军而言，简直是如鲠在喉。如果美军占领硫磺岛，那么所有的不利都将转化为有利：从硫磺岛起飞B-29航程可减少一半，载弹量则可增加一倍。战斗机如从硫磺岛起飞，可以为B-29提供全程护航，甚至连B-24这样的中型轰炸机也能从硫磺岛起飞空袭日寇本土。更重要的是硫磺岛还可作为B-29的备降机场，供空袭中受伤的B-29紧急降落或加油。因此对美陆军而言，要想更有效地对日寇进行战略轰炸，那么就绝对需要攻占硫磺岛。
从年10月13日开始，太平洋舰队司令部的参谋人员就着手制订进攻硫磺岛的作战计划，并不断根据情况变化进行修正。美军先后对硫磺岛进行了架次的空中侦察，综合空中侦察的情报制定了《日寇防御设施图》供指挥机关参考。但是由于缺乏实际战地侦察，对硫磺岛日寇部署情况还是很不清楚，美军判断硫磺岛日寇守军为1.4万人，实际上有2.3万人。
攻占硫磺岛的战役行动，由美军太平洋第5舰队司令斯普鲁恩斯海军上将组织实施。美军参加此次登陆作战的兵力为：登陆部队由海军陆战队两栖第5军承担，该军下辖第3、第4、第5陆战师，指挥官霍兰德·史密斯；各型舰艇余艘，包括各型航空母舰28艘、战列舰15艘、巡洋舰20艘、驱逐舰92艘、潜艇32艘；作战飞机约架，总兵力22万余人（登陆部队约6万人）。
根据计划，第5两栖军将在硫磺岛东部海滩约米的地段上实施突击上陆。第4、第5陆战师为第一梯队，第3陆战师为第二梯队。第一梯队的首要任务是攻占折钵山，并从折钵山以北最狭窄处切断折钵山与机场的联系，尔后向岛的北部进攻。为支援硫磺岛作战，美海军编成登陆突击编队、两栖支援编队、快速航空母舰特混编队、后勤支援舰群和搜索侦察舰群，其主要任务是以舰载航空兵火力和舰炮火力支援硫磺岛登陆作战。
日寇在硫磺岛的驻军最早可追溯到年建设气象电台。不过二战初期，日寇对该岛毫不在意，直到年才想到要在岛上修建机场，年美军进攻马里亚纳群岛前，日寇仅仅把硫磺岛作为太平洋中部与南部的航空中转基地，只部署了陆军约人，海军守备部队约余人和飞机20架。
年3月，日寇已经获悉美军要将进攻马里亚纳群岛，硫磺岛的作用开始凸显。遂将陆军独立第联队0余人送上岛；4月继续增派海军守备队余人，此后还将计划增援塞班岛的部队，因塞班岛失守转而部署在硫磺岛。6月16日，硫磺岛部队整编为第师团，由栗林忠道任师团长。截止年2月，日寇在岛上共有陆军人，海军人，共人，岛上所有兵力均由栗林统一指挥。
栗林忠道认为：面对美军的绝对海空优势，滩头作战难以奏效，遂主张凭借岛上南部的折钵山和北部的元山山地的有利地形，依托坚固的工事，实施纵深防御。但海军守备部队指挥官市丸利之仍坚持歼敌于滩头，第2混成旅团长大须贺应少将和第师团参谋长掘静一大佐也都反对栗林的计划。
由于所有的建筑原料都得依靠海军运送，所以最后栗林不得不做出了折中的方案，以纵深防御为主，滩头防御为辅，海军守备部队沿海滩构筑永备发射点和坚固支撑点，进行防御；陆军主力则集中在折钵山和元山地区，实施纵深防御。对于陆军内部的反对者，栗林自然不会手软，很快就找了借口解除了大须和掘静的职务。
栗林决心将硫磺岛建成坚固的要塞，以折钵山为核心阵地，以两个机场为主要防御地带，在适宜登陆的东西海滩则是以永备发射点和坚固支撑点为骨干的防御阵地。栗林接受了海军工兵专家崛江其孝的建议，要求防御工事多以地下坑道阵地为主，混凝土工事与天然岩洞有机结合，并有交通壕相互连接。
炮兵阵地也大都建成半地下式，尽管牺牲了射界，却大大提高了在猛烈轰击下的生存能力。火炮和通讯网络都受到良好保护，以日寇岛上的主要通信中心为例，建在深入地下约23米处，而且必须经过蜿蜒长达米的隧道才能到达，通信中心顶部是厚达3米的钢筋水泥层，四壁则有1.5米厚的钢筋水泥墙。岛上的制高点折钵山几乎被掏空，筑有的坑道就有9层之多。
针对美军的作战特点，栗林在海滩纵深埋设了大量地雷，以机枪、迫击炮、反坦克炮构成绵密火力网，所有武器的配置与火力范围都进行过精确计算，既能隐蔽自己，又能最大限度杀伤敌军。唯一不足的是，原计划元山地区将修筑的坑道工事有28公里长，由于时间不够，当美军发动进攻时只完成了70%，约18公里，而且折钵山与元山之间也没有坑道连接。
栗林一改日寇在战争初期的死拼战术，规定了近距射击、分兵机动防御、诱伏等战术，还严禁自杀冲锋，号召每个士兵至少要杀死10个美军。栗林还将激励士气的口号印成小册子，发给每个士兵。
日寇炮兵部队总共拥有门75毫米以上口径重炮（备弹10万发）、门81毫米以上口径迫击炮（备弹1.17万发）、20门毫米臼炮（备弹发）、40门47毫米速射炮（备弹2万发）和门25毫米以上口径高射炮（备弹15万发）。
战前炮兵对一些美军可能的攻击线路都进行了预先标定，还对炮手、观测人员与通信人员的协同进行了强化训练，使日寇炮火精准异常，给美军造成了极大地伤亡，战后美军都对日寇炮火之准确感叹不已。
自年6月底至年2月上旬，美军凭借其强大的海空力量，对硫磺岛进行了长达数个月的火力袭击。其中美第58特混编队袭击硫磺岛12次，出动舰载机架次；美第7航空队袭击硫磺岛69次，出动B-29型轰炸机约架次；美海军第5巡洋舰分队炮击硫磺岛8次，出动舰艇约64艘次，总计投弹1.3万余吨，发射炮弹1.5万余发。在登陆的前三天，第58航母特混编队还对日本本州及东京进行了空袭，主要突击目标为机场、海军基地和其他重要的军事目标，以达到孤立硫磺岛的目的。
与此同时，美海军出动32艘潜艇，进行了海上封锁，从而使硫磺岛完全处于孤立状态。在美航空母舰编队空袭日寇本土的同时，2月16日、17日和18日，美海军的两栖支援编队和舰炮掩护队还对硫磺岛的滩岸和纵深防御阵地进行了舰炮火力准备，共发射炮弹余吨。
在美军登陆的当天，即2月19日T时前2小时20分，美海军开始登陆前的直接火力准备（美军曾称此次舰炮火力准备为第二次世界大战中最猛烈的一次）。参加直接火力准备的有：战列舰7艘、重巡洋舰4艘、轻巡洋舰3艘和驱逐舰10艘。同时，舰载机也用火箭、炸弹和凝固汽油弹实施了航空火力准备。此次火力准备共持续32小时20分钟，发射炮弹和投掷炸弹3.8万余发。
据统计，在登陆前美军进行的预先火力准备和直接火力准备中，美军共消耗炸弹、炮弹2.4万余吨，硫磺岛上平均每平方公里落弹0余吨。但是，由于日寇的工事构筑隐蔽，深入地下，美军火力准备的效果并不明显。据美军自己估算，原先准备通过火力准备摧毁硫磺岛上的目标共个，但实际只破坏了其中的个。
2月19日上午9时，作为第5陆战军第一梯队的第4、第5陆战师在硫磺岛东部岸滩实施登陆。一开始非常顺利，日寇的抵抗十分微弱，只有迫击炮和轻武器的零星射击。上岛部队遇到的最大阻碍是岸滩上的火山灰，由于岸滩全是火山灰堆积而成，土质松软异常，履带登陆车全部陷在火山灰中，难以前进，后面的登陆艇一波接一波驶上岸，却被这些无法动弹的履带登陆车阻挡，根本无法抢滩登陆，艇上的登陆兵只好涉水上岸。
好景不长，登陆的美军才推进了余米，日寇等美军炮火开始延伸，栗林就下令日寇从坑道进入阵地，向海滩上的美军射击。根据事先早已测算好的数据，日寇炮火准确覆盖了登陆滩头，一时间，美军被准确而密集的炮火完全压制在滩头，伤亡惨重。
陆战第5师因为比陆战第4师晚了大约20分钟遭到炮击，而且炮火相对比陆战第4师遭受的要弱，所以先头的28团1营得以利用这一机会，穿越岛的最狭窄部，切断了折钵山与其他地区日寇的联系，2营随后向折钵山发起了攻击。第27团在海滩被困40分钟后，也取得了突破，推进到了一号机场（千岛机场）的南端。
该师炮兵第13团的4个营中，炮3营在工兵推土机和坦克支援下顺利上岸，17时45分完成毫米榴弹炮的放列，并开始为28团提供直接炮火支援。炮1营于16时后上岸，22时45分完成75毫米山炮的放列，开始为27团提供炮火支援。炮2营遭到日寇炮击以及卸载困难，损失2门毫米榴弹炮，直到次日凌晨2时才占领阵地。最后上岸的炮4营因为是在夜晚登陆，还遭到日寇炮火轰击，损失3门毫米榴弹炮和通信器材，直到次日8时才占领了阵地。
相比之下，陆战4师的遭遇简直可以用苦难来形容了，在日寇猛烈炮火阻击下，几乎寸步难行。危急时刻，美军的舰炮火力给了登陆部队以极其有力的支援。此次登陆，美军登陆部队每个营都配有舰炮火力控制组，能够及时召唤舰炮火力的支援，而空中的校射飞机也发挥了巨大作用，准确测定日寇炮火位置引导舰炮将其消灭。可以说，在太平洋战争历次登陆战中，舰炮火力支援从没有像硫磺岛登陆战那样有效，在舰炮火力的大力支援下，美军登陆部队艰难地向前推进，全天美军共消耗毫米以上口径舰炮炮弹发，火力支援之猛烈，史无前例。
午后，第4师第23团才前进了米，就遭到日寇密集火力压制，前进不得，只好要求坦克增援。该师坦克第4营3连16辆谢尔曼坦克于10时登陆，登陆时第一艘坦克登陆舰上的第一辆坦克刚开上岸就陷入火山灰中，导致另外4辆坦克也无法上岸，其他登陆舰上的11辆坦克，有3辆在海滩触雷，最后只有8辆到达第23团战线。
第23团随即在坦克支援下开始攻击前进，但进展依然缓慢，直到14时，才攻到一号机场东端。随后又因为日寇反坦克炮火太猛，坦克被迫撤回。第23团的第一天的攻势也就只好在一号机场边停了下来。
第4师第25团被海边悬崖上的大量日寇永备发射点所阻，伤亡严重，毫无进展。为摧毁这些永备发射点，美军使用了一种新的引导舰炮射击法∶先以登陆艇向目标发射曳光弹，巡洋舰再根据曳光弹的弹着点射击，效果极佳，到黄昏时分，终于消除了这些火力点的威胁，但第25团在登陆当天几乎没有进展。
日落时，美军已有6个步兵团、6个炮兵营和2个坦克营共约3.3万人上岸，占领了宽约米，纵深从米到米不等的登陆场。
全天有人阵亡，人负伤，伤亡总数约占登陆总人数的8%，坦克损失28辆。当晚，日寇没有像塞班岛守军那样发动自杀性冲锋，而是以自制“炸弹火箭”向美军登陆地区发动袭击，因美军阵地非常拥挤，造成较大伤亡。
2月20日凌晨开始，海上舰炮就根据岛上部队新指定的目标进行火力准备，第4师趁势突破守军防御，攻占一号机场。此后，该师以第23团和第24团并肩突击，在坦克支援下摧毁日寇一连串的坚固据点。中午过后由于地形越来越崎岖，加之雷区阻碍，坦克无法前行，失去坦克支援的步兵完全被日寇凶猛炮火所压制，进攻不得不停止。左翼的第25团运气最差，第1、第2营的营指挥所相继被日寇炮火命中，弹药囤积处和急救站也遭到炮击，甚至还遭到美军飞机的误击，进攻只能中断。
20日7时50分，第5师第28团开始进攻南端的折钵山，折钵山是由地道、岩洞、堡垒组成的半独立守备区域，由松下久彦指挥的名陆军和名海军负责防御，尽管在登陆日由于作战心切，过早开火暴露了多处火炮阵地而招致美军舰炮的猛烈轰击，但守军抵抗仍然顽强。美军第28团在进攻的前3个小时只推进了50多米。此后，坦克前来助战，同时美军飞机、舰炮、炮兵第13团3营的毫米榴弹炮、28团所属的37毫米战防炮和75毫米山炮一齐开火，再以手榴弹、炸药包、火焰喷射器逐一消灭岩洞中的日寇，有时甚至出动推土机将洞口封闭，才能肃清日寇的抵抗。因此进展极为缓慢，直到黄昏，才总共前进了米。
2月21日，岛上第4和第5师的进展仍然缓慢，登岛预备队陆战第3师第21团奉命登岛。第5师第28团当天在40架轰炸机轰炸开道的情况下，继续向折钵山进攻。午后日寇钻出工事，第一次在白天发起反击，都被美军击退，第28团趁势攻到折钵山脚下，入夜转入防御。
2月22日上午，大雨滂沱，美军没有发动进攻。在过去3天的进攻中，美军阵亡、失踪4人，人负伤。午后，第28团的进攻取得一些进展，美军将折钵山日寇合围。守军向栗林忠道请求发动自杀冲锋，被栗林忠道拒绝，并命令依托工事死守。
2月23日上午10时，第28团1个排登上折钵山山顶，并在山顶上树立起美国星条旗。尽管此时他们脚下还有多名日寇在抵抗，但仍然给攻岛的部队带来了极大的鼓舞。此后第28团继续留在折钵山，负责肃清山上的日寇。第5师的另2个团则调到北部，协同第4师攻击元山地区的日寇。当晚折钵山残余日寇发动最后反击，有的身背炸药包进行自杀袭击，有的则拼死杀开血路向后撤退，最终只有约20名日寇突出美军包围，其余近人全部战死。而美军第28团也付出了阵亡人的惨重代价，因此美军只得将第28团撤出一线，作为军预备队。
2月24日，战斗殊为激烈，陆战第3师第21团在海空火力的大力支援下，由坦克开道，终于突破了日寇在二号机场（元山机场）南侧的防线，一口气推进米，拔除了日寇近个碉堡。眼看美军进展如此之快，日寇随即发动了一次反击，美军第21团猝不及防，一度被迫后退，随后在舰炮支援下拼死反击，才将阵地巩固。
很快美军就发现，随着逐渐升高的地形，日寇构筑了密如蚁穴的地堡和纵横交错的坑道网，凭借着这些工事抵抗越来越顽强。至当天，美军伤亡总数已达人，其中阵亡人，面对如此惨重的伤亡，美军将作为预备队的陆战3师师部和陆战第9团、野战炮兵第12团送上岛，投入战斗。
2月25日，3个陆战师在硫磺岛并肩开始攻击，第4师在右，第3师居中，第5师在左，并列向东北推进。至3月1日，经过激烈的鏖战，美军终于攻占了二号机场和元山村。但是硫磺岛上的美军每前进一步，都要付出巨大的代价，战斗已经成为不折不扣的消耗，有时一整天只前进3、4米，惨重的伤亡甚至使军官们都没有勇气再将士兵投入战斗。
陆战第4师一名中尉军官在作战日记上这样写道：“军官们把士兵送上前线，这需要很大的勇气，因为自这个师成立以来就认识的人，很多已经死去了。再向前推进也需要勇气，第一天推进码，第二天早上数一数少了多少人，然后再向前推进，这样残酷的事却是唯一的办法。”
在陆战第4师对第二制高点高地的争夺中，屡屡陷入日寇交叉火网，伤亡极其惨重，高地因此被称为“绞肉机”，战斗部队的伤亡高达50%以上，有经验的连、排长和军士长伤亡殆尽，许多连队连长由少尉或上士担任，而排长、班长大都由普通士兵担任。美军必须逐一消灭侧翼的日寇阵地，只有解除侧翼威胁才有可能向前推进，所以战斗异常残酷、激烈，直到3月2日，第4师第24团才攻上了高地，但所付出的伤亡是巨大的，有好几个连的官兵非死即伤，几乎全连覆没。
左翼的第5师在攻击高地的遭遇与第4师在高地如出一辙，刚攻上山头，侧翼日寇立即以密集火力封锁美军的退路，再以纵深火力和凶猛的反击将攻上高地的美军尽数消灭，美军死伤枕藉，却毫无收获，只得先消灭最突出部的日寇阵地，再步步为营艰难地向前推进。
日寇早已掌握了美军的攻击程序，先是航空火力准备，再是舰炮火力轰击，接着是地面炮火射击，最后才是步兵冲击，所以日寇总在坑道里躲过美军的炮火，再进入阵地迎击步兵的进攻，一次又一次粉碎了美军的攻势。
战斗中，美军经常发现面前正在抵抗的日寇突然消失了，似乎是在一瞬间躲入了地下。日寇的战术很明确，为了免遭美军优势炮火的打击，日寇利用极其巧妙的伪装和隐蔽尽可能将美军放近，很多时候日寇都是在仅有几米的距离时才突然开火，这样的射击距离几乎是弹无虚发，也正因为这样才能最有效地隐蔽自己。
美军饱尝失利的苦果，终于痛定思痛，改变战术。3月7日拂晓，美军没进行任何炮火准备，借助黎明前的黑夜悄然接近日寇阵地，突然发起冲击，打了日寇一个措手不及，一举攻占了高地。此后，担负中央突破的陆战3师势如破竹，进展神速，遇到难以克服的日寇阵地就设法绕过去，继续向前推进，尽管给后续的陆战第4、第5师留下不少“钉子”，但第3师最终突破了日寇的防线，并于两天后攻到了西海岸，占据了一段约米长的海岸，再次将岛上日寇分割为两部分。
3月8日晚，指挥第2混成旅团的千代贞季少将决定次日晚集中进行炮火轰击后组织一次总攻，总攻时间在传达中被误传为当天晚上，于是当晚约0名日寇向美军陆战第4师阵地发起攻击，结果在美军猛烈的炮火下死伤惨重而毫无收获。栗林意识到面对美军优势炮火，这样的冲锋毫无价值，随即下令取消了第二天的总攻命令。
3月9日，美军占领了尚未完工的三号机场。当晚栗林得知美军已经突破了防线冲到西海岸，将日寇防线一分为二时，知道再被动坚守，只能是坐以待毙，转而又决定组织部队进行反击。
不过他深知美军火力太强，正面进攻难以奏效，所以决定夜间渗透反击。他命令部队尽可能穿越美军的防线，渗透到美军后方重新打通两翼联系。
美军发现了日寇的行动，不断发射的照明弹将黑夜照得如同白昼，然后借着照明弹的光亮对暴露的日寇进行射击。美国海军陆战队接受过严格的战斗训练，即便是勤杂人员都是战斗兵。他们在突然遭到袭击的夜战中，长期训练有素的反应就是卧倒，然后向任何移动的目标开火。
尽管如此，许多日寇还是越过了美军的前沿防线，有的甚至渗透距离达米，但美军预备队和后方勤务人员依托工事顽强抗击，给予反击日寇重大杀伤，天亮时，日寇的反击被彻底粉碎，伤亡至少人。这次徒劳无功的反击，白白损失了大量有生力量。
3月10日，陆战3师将日寇防线截为两段后，随即开始向两面扩大战果，第3师第9团向东，第21团向西，分别策应两翼陆战第4、第5师的攻击。尽管日寇的防御态势已经相当不利，但仍依托工事死战不退，尤其是陆战第5师面对的是由栗林直接指挥的部队，遭到的抵抗更为激烈。
陆战第5师的伤亡超过了75%，许多战斗部队伤亡殆尽，师部的文书、司机甚至炊事员等勤杂人员都投入了战斗。第3师、第4师的伤亡也很严重。出于这种情况，陆战第4师师长克利夫顿·凯兹少将向栗林和硫磺岛日寇中战斗力最强的第联队队长池田发出劝降信，信中首先向他们的无畏精神和英勇作战表示了尊敬。接着说明了目前继续抵抗也毫无取胜的处境，最后要求他们指挥所属部队停止抵抗，美军将保证投降日寇根据《日内瓦公约》受到人道待遇。但劝降信如同石沉大海，没有回音。
3月16日，东北部的余日寇被歼灭，美军于当日18时宣布占领硫磺岛，但战斗仍在继续，栗林指挥残部依然在抵抗，有些地方的战斗还相当激烈。3月17日，残余的日寇余人被美军牢牢围困。3月25日夜，日寇守岛司令栗林率残部企图突围，但大部被美军歼灭，栗林忠道自杀。3月26日，美军宣布战役结束，但清剿残余日寇的行动一直持续到4月底才结束。
硫磺岛战役历时约35天，美军为此付出了死伤2.1万余人的代价，约占登陆部队人数的1/3；日寇守岛部队被击毙2.2万余人，被俘余人。
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